C++類(lèi),繼承,多態(tài)的深入分析

1、C+對(duì)象模型在內(nèi)存中的實(shí)現(xiàn) -基于微軟VC+分析（Visual Studio 2010）jhanker（蔣李軍） jhanker 2016-04-26相關(guān)C+對(duì)象模型深入了解的文章在互聯(lián)網(wǎng)上有很多版本。要么排版不清晰，要么缺少圖示，嚴(yán)重的影響閱讀效果！現(xiàn)對(duì)每一段代碼的圖示都增加了VC+2010環(huán)境下編譯器輸出的類(lèi)的對(duì)象模型圖（文中黑色背景的圖），通過(guò)對(duì)網(wǎng)上一些有用的相關(guān)資料的整合，讓讀者能更加直觀理解其本質(zhì)。本文的篇幅較長(zhǎng)，但還是希望您能慢慢的品讀，如果有不理解的地方可以先看后面的附錄，閱讀的過(guò)程中可以邊閱讀邊調(diào)試附錄中的調(diào)試代碼，相信通過(guò)仔細(xì)的調(diào)試，分析，理解，您將會(huì)對(duì)C+有更深層次的理解！

2、 一個(gè)C+程序員，想要進(jìn)一步提升技術(shù)水平的話(huà)，應(yīng)該多了解一些語(yǔ)言的細(xì)節(jié)。對(duì)于使用VC+的程序員來(lái)說(shuō)，還應(yīng)該了解一些VC+對(duì)于C+的詮釋。本文是深入理解C+對(duì)象模型比較好的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。了解你所使用的編程語(yǔ)言究竟是如何實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于C+程序員可能特別有意義。首先，它可以去除我們對(duì)于所使用語(yǔ)言的神秘感，使我們不至于對(duì)于編譯器干的活感到完全不可思議；尤其重要的是，它使我們?cè)贒ebug和使用語(yǔ)言高級(jí)特性的時(shí)候，有更多的把握。當(dāng)需要提高代碼效率的時(shí)候，這些知識(shí)也能夠很好地幫助我們。 對(duì)每個(gè)語(yǔ)言特性，我們將簡(jiǎn)要介紹該特性背后的動(dòng)機(jī)，當(dāng)然，本文決不是”C+入門(mén)”，大家對(duì)此要有充分認(rèn)識(shí)，以及該特性在微軟的 VC+

3、中是如何實(shí)現(xiàn)的。這里要注意區(qū)分抽象的C+語(yǔ)言與其特定實(shí)現(xiàn)。微軟之外的其他C+廠(chǎng)商可能提供一個(gè)完全不同的實(shí)現(xiàn)，我們偶爾也會(huì)將 VC+的實(shí)現(xiàn)與其他實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較。 首先，我們順次考察類(lèi)，單繼承，多重繼承，以及虛繼承的布局； 接著，我們講成員變量和成員函數(shù)的訪(fǎng)問(wèn)已經(jīng)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)情況，當(dāng)然，這里面包含虛函數(shù)的情況；再接下來(lái)，我們考察構(gòu)造函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)，以及特殊的賦值操作符成員函數(shù)是如何工作的，數(shù)組是如何動(dòng)態(tài)構(gòu)造和銷(xiāo)毀的；最后，簡(jiǎn)單地介紹對(duì)異常處理的支持。 1、類(lèi)（class）布局 本節(jié)討論不同的繼承方式造成的不同內(nèi)存布局。 1.1 類(lèi)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 由于C+基于C，所以C+也”基本上”兼容C。特別地，C+規(guī)

4、范在”類(lèi)”上使用了和C”結(jié)構(gòu)”相同的，簡(jiǎn)單的內(nèi)存布局原則：成員變量按其被聲明的順序排列，按具體實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的對(duì)齊原則在內(nèi)存地址上對(duì)齊。所有的C/C+廠(chǎng)商都保證他們的C/C+編譯器對(duì)于有效的C結(jié)構(gòu)采用完全相同的布局。這里，A是一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)，其成員布局和對(duì)齊方式都一目了然1 classA2 public:3 charc;4 inti;5 ;（圖1）從上圖(左)可見(jiàn)，A在內(nèi)存中占有8個(gè)字節(jié)，按照聲明成員的順序，前4個(gè)字節(jié)包含一個(gè)字符（實(shí)際占用1個(gè)字節(jié)，3個(gè)字節(jié)空著，補(bǔ)對(duì)齊），后4個(gè)字節(jié)包含一個(gè)整數(shù)。A的指針就指向字符開(kāi)始字節(jié)處。上圖(右)為Visual Studio 2010 編譯后在輸出窗口中顯示的

5、內(nèi)存分布情況。(項(xiàng)目屬性配置屬性C/C+命令行其他選項(xiàng)中添加選項(xiàng)”/d1reportAllClassLayout”。再次編譯時(shí)候，編譯器會(huì)輸出所有定義類(lèi)的對(duì)象模型。由于輸出的信息過(guò)多，我們可以使用”Ctrl+F”查找命令，找到對(duì)象模型的輸出。)需要說(shuō)明的是右圖的 0 ,4 是相對(duì)字符開(kāi)始地址的偏移地址。當(dāng)然了，C+不是復(fù)雜的C，C+本質(zhì)上是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言：包含 繼承、封裝，以及多態(tài) 。原始的C結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改造，成了面向?qū)ο笫澜绲幕?lèi)。除了成員變量外，C+類(lèi)還可以封裝成員函數(shù)和其他東西。然而，有趣的是，除非為了實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)和虛繼承引入的隱藏成員變量外，C+類(lèi)實(shí)例的大小完全取決于一個(gè)類(lèi)及其基類(lèi)的成員變

6、量！成員函數(shù)基本上不影響類(lèi)實(shí)例的大小。這里提供的B是有更多C+特征的類(lèi)：控制成員可見(jiàn)性的”public/protected/private”關(guān)鍵字、成員函數(shù)、靜態(tài)成員，以及嵌套的類(lèi)型聲明。雖然看著琳瑯滿(mǎn)目，實(shí)際上，只有成員變量才占用類(lèi)實(shí)例的空間。有一點(diǎn)要注意的是，C+標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)不限制由”public/protected/private”關(guān)鍵字分開(kāi)的各段在實(shí)現(xiàn)時(shí)的先后順序，因此，不同的編譯器實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存布局可能并不相同。（ 在VC+中，成員變量總是按照聲明時(shí)的順序排列）。1 classB2 public:3intbm1;4protected:5intbm2;6private:7intbm3;8st

7、aticintbsm;9voidbf();10staticvoidbsf();11typedef void* bpv;12structN;13;struct B public: int bm1;protected: int bm2;private: int bm3; static int bsm; void bf(); static void bsf(); typedef void* bpv; struct N ; （圖2） B中，為何static int bsm不占用內(nèi)存空間？因?yàn)樗庆o態(tài)成員，該數(shù)據(jù)存放在程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)段中，不在類(lèi)實(shí)例中。（相關(guān)內(nèi)存區(qū)域劃分知識(shí)，見(jiàn)附1.） 1.2 單繼承

8、C+ 提供繼承的目的是在不同的類(lèi)型之間提取共性。比如，科學(xué)家對(duì)物種進(jìn)行分類(lèi)，從而有種、屬、綱等說(shuō)法。有了這種層次結(jié)構(gòu)，我們才可能將某些具備特定性質(zhì)的東西歸入到最合適的分類(lèi)層次上，如”懷孩子的是哺乳動(dòng)物”。由于這些屬性可以被子類(lèi)繼承，所以，我們只要知道”鯨魚(yú)、人”是哺乳動(dòng)物，就可以方便地指出”鯨魚(yú)、人都可以懷孩子”。那些特例，如鴨嘴獸（生蛋的哺乳動(dòng)物），則要求我們對(duì)缺省的屬性或行為進(jìn)行覆蓋。C+中的繼承語(yǔ)法很簡(jiǎn)單，在子類(lèi)后加上”: public基類(lèi)名（base）”就可以了。（附2. C+之繼承與派生）下面的D繼承自基類(lèi)C。(本文全部的調(diào)試代碼見(jiàn)附4.) 1 classC /類(lèi)C2 public:

9、3intc1; /類(lèi)C的成員變量4voidcf(); /類(lèi)C的成員函數(shù)5;struct C int c1; void cf(); （圖3）1 classD: public C /類(lèi)D，繼承類(lèi)C2 public:3intd1; /類(lèi)D的成員變量4voiddf(); /類(lèi)D的成員函數(shù)5;struct D : C int d1; void df(); （圖4） 既然派生類(lèi)要保留基類(lèi)的所有屬性和行為，自然地，每個(gè)派生類(lèi)的實(shí)例都包含了一份完整的基類(lèi)實(shí)例數(shù)據(jù)。在D中，并不是說(shuō)基類(lèi)C的數(shù)據(jù)一定要放在D的數(shù)據(jù)之前，只不過(guò)這樣放的話(huà)，能夠保證D中的C對(duì)象地址，恰好是D對(duì)象地址的第一個(gè)字節(jié)。這種安排之下，有了派生

10、類(lèi)D的指針，要獲得基類(lèi)C的指針，就不必要計(jì)算偏移量了。幾乎所有知名的C+廠(chǎng)商都采用這種內(nèi)存安排（基類(lèi)成員在前）。在單繼承類(lèi)層次下，每一個(gè)新的派生類(lèi)都簡(jiǎn)單地把自己的成員變量添加到基類(lèi)的成員變量之后 ?？纯瓷蠄D，C對(duì)象指針和D對(duì)象指針指向同一地址。 ( 上圖(右)base class C, class D 的框架結(jié)構(gòu)的起始的上邊界”+-”重合形象的說(shuō)明C對(duì)象指針和D對(duì)象指針指向同一地址)1.3 多重繼承 大多數(shù)情況下，其實(shí)單繼承就足夠了。但是，C+為了我們的方便，還提供了多重繼承。 比如，我們有一個(gè)組織模型，其中有經(jīng)理類(lèi)（分任務(wù)），工人類(lèi)（干活）。那么，對(duì)于一線(xiàn)經(jīng)理類(lèi)，即既要從上級(jí)經(jīng)理那里領(lǐng)取任務(wù)

11、干活，又要向下級(jí)工人分任務(wù)，這樣的角色，如何在類(lèi)層次中表達(dá)呢？單繼承在此就有點(diǎn)力不從心。我們可以安排經(jīng)理類(lèi)先繼承工人類(lèi)，一線(xiàn)經(jīng)理類(lèi)再繼承經(jīng)理類(lèi)，但這種層次結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤地讓經(jīng)理類(lèi)繼承了工人類(lèi)的屬性和行為。反之亦然。當(dāng)然，一線(xiàn)經(jīng)理類(lèi)也可以?xún)H僅從一個(gè)類(lèi)（經(jīng)理類(lèi)或工人類(lèi)）繼承，或者一個(gè)都不繼承，重新聲明一個(gè)或兩個(gè)接口（函數(shù)），但這樣的實(shí)現(xiàn)弊處太多：多態(tài)不可能了-未能重用現(xiàn)有的接口（函數(shù)）；最嚴(yán)重的是，當(dāng)接口（函數(shù)）變化時(shí)，必須多處維護(hù)。最合理的情況似乎是一線(xiàn)經(jīng)理從兩個(gè)地方繼承屬性和行為經(jīng)理類(lèi)、工人類(lèi)。C+就允許用多重繼承來(lái)解決這樣的問(wèn)題： 1classManager.; /經(jīng)理類(lèi)2classWorker.

12、; /工人類(lèi)3classMiddleManager:Manager,Worker.;/一線(xiàn)經(jīng)理類(lèi)struct Manager . . ;struct Worker . . ;struct MiddleManager : Manager, Worker . ; 這樣的繼承將造成怎樣的類(lèi)布局呢？下面我們還是用”字母”類(lèi)來(lái)舉例： 1 classE 2 public:3inte1; 4voidef(); 5;（圖5）struct E int e1; void ef();1 classF: publicC, publicE 2 public:3intf1; 4voidff(); 5;（圖6）struct

13、 F : C, E int f1; void ff(); 類(lèi)F從C和E多重繼承得來(lái)。與單繼承相同的是，F(xiàn)實(shí)例拷貝了每個(gè)基類(lèi)的所有數(shù)據(jù)。與單繼承不同的是，在多重繼承下，內(nèi)嵌的兩個(gè)基類(lèi)的對(duì)象指針不可能全都與派生類(lèi)對(duì)象指針相同：1Ff; 2/(void*)&f=(void*)(C*)&f; /說(shuō)明C對(duì)象指針與F對(duì)象指針相同3/(void*)&f(void*)(E*)&f;/說(shuō)明E對(duì)象指針與F對(duì)象指針不同4 /且基類(lèi)E的地址比子類(lèi)F的地址數(shù)值大F f;/ (void*)&f = (void*)(C*)&f;/ (void*)&f c1;/*(pc+dCc1);C* pc;pc-c1; / *(pc +

14、 dCc1);訪(fǎng)問(wèn)C的成員變量c1，只需要在pc上加上固定的偏移量dCc1（在類(lèi)C的實(shí)例pc中，實(shí)例pc指針地址與其c1成員變量之間的偏移量值），再獲取該指針的內(nèi)容即可,內(nèi)存分布見(jiàn)圖3,此時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)和C語(yǔ)言一樣比較少。 2.2 單繼承由于派生類(lèi)實(shí)例與其基類(lèi)實(shí)例之間的偏移量是常數(shù)0，所以，可以直接利用基類(lèi)指針和基類(lèi)成員之間的偏移量關(guān)系，如此計(jì)算得以簡(jiǎn)化。1D *pd; /D從C單繼承，pd為指向D的指針2pd-c1;/*(pd+dDC+dCc1);/*(pd+dDc1); 3pd-d1;/*(pd+dDd1);D* pd;pd-c1; / *(pd + dDC + dCc1); / *(pd +

15、dDc1);pd-d1; / *(pd + dDd1);a. 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)基類(lèi)成員c1時(shí)，計(jì)算步驟本來(lái)應(yīng)該為”pd+dDC+dCc1”，即為先計(jì)算D對(duì)象和C對(duì)象之間的偏移，再在此基礎(chǔ)上加上C對(duì)象指針與成員變量c1 之間的偏移量。然而，由于dDC恒定為0，所以直接計(jì)算C對(duì)象地址與c1之間的偏移就可以了。 b. 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)派生類(lèi)成員d1時(shí)，直接計(jì)算偏移量。內(nèi)存分布見(jiàn)圖4,此時(shí)從上述的分析可知，開(kāi)銷(xiāo)還是和C語(yǔ)言一樣比較少。 2.3 多重繼承雖然派生類(lèi)與某個(gè)基類(lèi)之間的偏移量可能不為0，然而，該偏移量總是一個(gè)常數(shù)。只要是個(gè)常數(shù)，訪(fǎng)問(wèn)成員變量，計(jì)算成員變量偏移時(shí)的計(jì)算就可以被簡(jiǎn)化?？梢?jiàn)即使對(duì)于多重繼承來(lái)說(shuō)，訪(fǎng)問(wèn)成員

16、變量開(kāi)銷(xiāo)仍然不大，內(nèi)存分布見(jiàn)圖6。1F*pf; /F繼承自C和E，pf是指向F對(duì)象的指針2pf-c1;/*(pf+dFC+dCc1);/*(pf+dFc1); 3pf-e1;/*(pf+dFE+dEe1);/*(pf+dFe1); 4pf-f1;/*(pf+dFf1);F* pf;pf-c1; / *(pf + dFC + dCc1); / *(pf + dFc1);pf-e1; / *(pf + dFE + dEe1); / *(pf + dFe1);pf-f1; / *(pf + dFf1);a. 訪(fǎng)問(wèn)C類(lèi)成員c1時(shí)，F(xiàn)對(duì)象與內(nèi)嵌C對(duì)象的相對(duì)偏移為0，可以直接計(jì)算F和c1的偏移； b. 訪(fǎng)

17、問(wèn)E類(lèi)成員e1時(shí)，F(xiàn)對(duì)象與內(nèi)嵌E對(duì)象的相對(duì)偏移是一個(gè)常數(shù)，F(xiàn)和e1之間的偏移計(jì)算也可以被簡(jiǎn)化； c. 訪(fǎng)問(wèn)F自己的成員f1時(shí)，直接計(jì)算偏移量。 2.4 虛繼承 當(dāng)類(lèi)有虛基類(lèi)時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)非虛基類(lèi)的成員仍然是計(jì)算固定偏移量的問(wèn)題。然而，訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)的成員變量，開(kāi)銷(xiāo)就增大了 ，因?yàn)楸仨毥?jīng)過(guò)如下步驟才能獲得成員變量的地址：1. 獲取”虛基類(lèi)表指針”；2. 獲取虛基類(lèi)表中某一表項(xiàng)的內(nèi)容；3. 把內(nèi)容中指出的偏移量加到”虛基類(lèi)表指針”的地址上。 然而，事情并非永遠(yuǎn)如此。正如下面訪(fǎng)問(wèn)I對(duì)象的c1成員那樣，如果不是通過(guò)指針訪(fǎng)問(wèn)，而是直接通過(guò)對(duì)象實(shí)例，則派生類(lèi)的布局可以在編譯期間靜態(tài)獲得，偏移量也可以在編譯時(shí)計(jì)算，因

18、此也就不必要根據(jù)虛基類(lèi)表的表項(xiàng)來(lái)間接計(jì)算了。1I *pi; /pi是指向I對(duì)象的指針2pi-c1;/*(pi+dIGvbptr+(*(pi+dIGvbptr)1+dCc1); 3pi-g1;/*(pi+dIG+dGg1);/*(pi+dIg1); 4pi-h1;/*(pi+dIH+dHh1);/*(pi+dIh1); 5pi-i1;/*(pi+dIi1); 6Ii; 7i.c1;/*(&i+IdIC+dCc1);/*(&i+IdIc1);I* pi;pi-c1; / *(pi + dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1 + dCc1);pi-g1; / *(pi + dIG +

19、 dGg1); / *(pi + dIg1);pi-h1; / *(pi + dIH + dHh1); / *(pi + dIh1);pi-i1; / *(pi + dIi1);I i;i.c1; / *(&i + IdIC + dCc1); / *(&i + IdIc1);I繼承自G和H，G和H的虛基類(lèi)是C，pi是指向I對(duì)象的指針,內(nèi)存分布見(jiàn)圖9。a. 訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)C的成員c1時(shí)，dIGvbptr是”在I中，I對(duì)象指針與G的”虛基類(lèi)表指針”之間的偏移”，*(pi + dIGvbptr)是虛基類(lèi)表的開(kāi)始地址，*(pi + dIGvbptr)1是虛基類(lèi)表的第二項(xiàng)的內(nèi)容-在I對(duì)象中，G對(duì)象的”虛基類(lèi)

20、表指針”與虛基類(lèi)之間的偏移，dCc1是C對(duì)象指針與成員變量c1之間的偏移； b. 訪(fǎng)問(wèn)非虛基類(lèi)G的成員g1時(shí)，直接計(jì)算偏移量； c. 訪(fǎng)問(wèn)非虛基類(lèi)H的成員h1時(shí)，直接計(jì)算偏移量； d. 訪(fǎng)問(wèn)自身成員i1時(shí)，直接使用偏移量； e. 當(dāng)聲明了一個(gè)對(duì)象實(shí)例，用點(diǎn)”.”操作符訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)成員c1時(shí)，由于編譯時(shí)就完全知道對(duì)象的布局情況，所以可以直接計(jì)算偏移量。 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)繼承層次中，多層虛基類(lèi)的成員變量時(shí)，情況又如何呢？比如，訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)的虛基類(lèi)的成員變量時(shí)？一些實(shí)現(xiàn)方式為：保存一個(gè)指向直接虛基類(lèi)的指針，然后就可以從直接虛基類(lèi)找到它的虛基類(lèi)，逐級(jí)上推。VC+優(yōu)化了這個(gè)過(guò)程。 VC+在虛基類(lèi)表中增加了一些額外的

21、項(xiàng)，這些項(xiàng)保存了從派生類(lèi)到其各層虛基類(lèi)的偏移量。3、強(qiáng)制轉(zhuǎn)化 如果沒(méi)有虛基類(lèi)的問(wèn)題，將一個(gè)指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為另一個(gè)類(lèi)型的指針代價(jià)并不高昂。如果在要求轉(zhuǎn)化的兩個(gè)指針之間有”基類(lèi)-派生類(lèi)”關(guān)系，編譯器只需要簡(jiǎn)單地在兩者之間加上或者減去一個(gè)偏移量即可（并且該量還往往為0）。1F *pf; 2(C*)pf;/(C*)(pf?pf+dFC:0);/(C*)pf; 3(E*)pf;/(E*)(pf?pf+dFE:0);F* pf;(C*)pf; / (C*)(pf ? pf + dFC : 0); / (C*)pf;(E*)pf; / (E*)(pf ? pf + dFE : 0);C和E是F的基類(lèi)，內(nèi)存分布

22、見(jiàn)圖6，將F的指針pf轉(zhuǎn)化為C*或E*，只需要將pf加上一個(gè)相應(yīng)的偏移量。轉(zhuǎn)化為C類(lèi)型指針C*時(shí)，不需要計(jì)算，因?yàn)镕和C之間的偏移量為 0。轉(zhuǎn)化為E類(lèi)型指針E*時(shí)，必須在指針上加一個(gè)非0的偏移常量dFE。C+規(guī)范要求NULL指針在強(qiáng)制轉(zhuǎn)化后依然為NULL，（代碼的解釋中用了三目運(yùn)算符 ？：”）因此在做強(qiáng)制轉(zhuǎn)化需要的運(yùn)算之前，VC+會(huì)檢查指針是否為NULL。當(dāng)然，這個(gè)檢查只有當(dāng)指針被顯示或者隱式轉(zhuǎn)化為相關(guān)類(lèi)型指針時(shí)才進(jìn)行；當(dāng)在派生類(lèi)對(duì)象中調(diào)用基類(lèi)的方法，派生類(lèi)指針在后臺(tái)被轉(zhuǎn)化為一個(gè)基類(lèi)的Const this” 指針時(shí)，這個(gè)檢查就不需要進(jìn)行了，因?yàn)樵诖藭r(shí)，該指針一定不為NULL。正如你猜想的，當(dāng)繼

23、承關(guān)系中存在虛基類(lèi)時(shí)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)化的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)比較大。具體說(shuō)來(lái)，和訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)成員變量的開(kāi)銷(xiāo)相當(dāng)。1I*pi; 2(G*)pi;/(G*)pi; 3(H*)pi;/(H*)(pi?pi+dIH:0); 4(C*)pi;/(C*)(pi?(pi+dIGvbptr+(*(pi+dIGvbptr)1):0);I* pi;(G*)pi; / (G*)pi;(H*)pi; / (H*)(pi ? pi + dIH : 0);(C*)pi; / (C*)(pi ? (pi+dIGvbptr + (*(pi+dIGvbptr)1) : 0);pi是指向I對(duì)象的指針，G,H是I的基類(lèi)，C是G,H的虛基類(lèi)。（內(nèi)存分布見(jiàn)（

24、圖9）a. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為G*時(shí)，由于G*和I*的地址相同，不需要計(jì)算； b. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為H*時(shí)，只需要考慮一個(gè)常量偏移； c. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)化pi為C*時(shí)，所作的計(jì)算和訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)成員變量的開(kāi)銷(xiāo)相同，首先得到G的虛基類(lèi)表指針，再?gòu)奶摶?lèi)表的第二項(xiàng)中取出G到虛基類(lèi)C的偏移量，最后根據(jù)pi、虛基類(lèi)表偏移和虛基類(lèi)C與虛基類(lèi)表指針之間的偏移計(jì)算出C*。 一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)從派生類(lèi)中訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)成員時(shí)，應(yīng)該先強(qiáng)制轉(zhuǎn)化派生類(lèi)指針為虛基類(lèi)指針，然后一直使用虛基類(lèi)指針來(lái)訪(fǎng)問(wèn)虛基類(lèi)成員變量。這樣做，可以避免每次都要計(jì)算虛基類(lèi)地址的開(kāi)銷(xiāo)。見(jiàn)下例。 1 . pi-c1 . pi-c1 .2 C* pc = pi; . pc-

25、c1 . pc-c1 .前者一直使用派生類(lèi)指針pi，故每次訪(fǎng)問(wèn)c1都有計(jì)算虛基類(lèi)地址的較大開(kāi)銷(xiāo)；后者先將pi轉(zhuǎn)化為虛基類(lèi)指針pc，故后續(xù)調(diào)用可以省去計(jì)算虛基類(lèi)地址的開(kāi)銷(xiāo)。4、成員函數(shù) 一個(gè)C+成員函數(shù)只是類(lèi)范圍內(nèi)的又一個(gè)成員。X類(lèi)每一個(gè)非靜態(tài)的成員函數(shù)都會(huì)接受一個(gè)特殊的隱藏參數(shù)this指針，類(lèi)型為X* const。該指針在后臺(tái)初始化為指向成員函數(shù)工作于其上的對(duì)象。同樣，在成員函數(shù)體內(nèi)，成員變量的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)在后臺(tái)計(jì)算與this指針的偏移來(lái)進(jìn)行。1 classP 2 public:3intp1; 4voidpf();/類(lèi)P的非虛成員函數(shù)5virtualvoidpvf();/類(lèi)P的虛成員函數(shù) 6;（

26、圖10）struct P int p1; void pf(); / new virtual void pvf(); / new;P有一個(gè)非虛成員函數(shù)pf()，以及一個(gè)虛成員函數(shù)pvf()(有關(guān)多態(tài)和虛函數(shù)的知識(shí)見(jiàn)附3. C+之多態(tài)性與虛函數(shù))。很明顯，虛成員函數(shù)的處理方法，在VC+ 中，與虛繼承的處理方式如出一轍，這樣同樣也造成對(duì)象實(shí)例占用了更多內(nèi)存空間，因?yàn)閷?shí)例需增加一個(gè)隱藏的”虛函數(shù)表指針”（virtual function pointer 或 virtual function table pointer）成員變量，簡(jiǎn)稱(chēng)vfptr，從而達(dá)C+的多態(tài)目的。（注：可以讓成員函數(shù)操作一般化，用基

27、類(lèi)的指針指向不同的派生類(lèi)的對(duì)象時(shí)，基類(lèi)指針調(diào)用其虛成員函數(shù)，則會(huì)調(diào)用其真正指向?qū)ο蟮某蓡T函數(shù)，而不是基類(lèi)中定義的成員函數(shù)（只要派生類(lèi)改寫(xiě)了該成員函數(shù)）。若不是虛函數(shù)，則不管基類(lèi)指針指向的哪個(gè)派生類(lèi)對(duì)象，調(diào)用時(shí)都會(huì)調(diào)用基類(lèi)中定義的那個(gè)函數(shù)）該變量指向一個(gè)全類(lèi)共享的偏移量表-虛函數(shù)表（virtual function table ），簡(jiǎn)稱(chēng)vftable。這一點(diǎn)以后還會(huì)談到。這里要特別指出的是，聲明非虛成員函數(shù)不會(huì)造成任何對(duì)象實(shí)例的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)?，F(xiàn)在，考慮P:pf()的定義。1voidP:pf()/實(shí)際是：voidP:pf(P*constthis) 2+p1;/實(shí)際是：+(this-p1); 3void

28、 P:pf() / void P:pf(P *const this) +p1; / +(this-p1);這里P:pf()接受了一個(gè)隱藏的this指針參數(shù)，對(duì)于每個(gè)非靜態(tài)成員函數(shù)調(diào)用，編譯器都會(huì)自動(dòng)加上這個(gè)this參數(shù)。同時(shí)，注意成員變量訪(fǎng)問(wèn)也許比看起來(lái)要代價(jià)高昂一些，因?yàn)槌蓡T變量訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)this指針進(jìn)行，在有的繼承層次下，this指針需要進(jìn)行調(diào)整，所以訪(fǎng)問(wèn)的開(kāi)銷(xiāo)可能會(huì)比較大。然而，從另一方面來(lái)說(shuō)，編譯器通常會(huì)把this指針緩存到寄存器中，所以，成員變量訪(fǎng)問(wèn)的代價(jià)不會(huì)比訪(fǎng)問(wèn)局部變量的效率更差。（在win32位編譯模式下訪(fǎng)問(wèn)局部變量時(shí)，需要到EBP寄存器中得到棧指針，再加上局部變量與棧頂?shù)钠疲?/p>

29、局部變量與EBP寄存器值的偏移），所以訪(fǎng)問(wèn)成員變量的過(guò)程將與訪(fǎng)問(wèn)局部變量的開(kāi)銷(xiāo)相似）。4.1 覆蓋成員函數(shù) 和成員變量一樣，成員函數(shù)也會(huì)被繼承。與成員變量不同的是，通過(guò)在派生類(lèi)中重新定義基類(lèi)函數(shù)，一個(gè)派生類(lèi)可以覆蓋，或者說(shuō)替換掉基類(lèi)的函數(shù)定義。覆蓋是靜態(tài) （根據(jù)成員函數(shù)的靜態(tài)類(lèi)型在編譯時(shí)決定）還是動(dòng)態(tài) （通過(guò)對(duì)象指針在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)決定），依賴(lài)于成員函數(shù)是否被聲明為”虛函數(shù)”。 Q從P繼承了成員變量和成員函數(shù)。Q聲明了pf()，覆蓋了P:pf()。Q還聲明了pvf()，覆蓋了P:pvf()虛函數(shù)。Q還聲明了新的非虛成員函數(shù)qf()，以及新的虛成員函數(shù)qvf()。1 classQ:public P

30、2 public:3intq1; 4voidpf();/覆蓋P:pf 5voidqf();/新建 6voidpvf();/覆蓋P:pvf 7virtualvoidqvf();/新建 8;struct Q : P int q1; void pf(); / overrides P:pf void qf(); / new void pvf(); / overrides P:pvf virtual void qvf(); / new;（圖11）請(qǐng)看下面對(duì)于非虛函數(shù)的調(diào)用：1Pp;P*pp=&p;Qq;P*ppq=&q;Q*pq=&q; 2pp-pf();/pp-P:pf();/P:pf(pp); 3p

31、pq-pf();/ppq-P:pf();/P:pf(P*)ppq); 4pq-pf();/pq-Q:pf();/Q:pf(pq);5pq-qf();/pq-Q:qf();/Q:qf(pq);對(duì)于非虛的成員函數(shù)來(lái)說(shuō)，調(diào)用哪個(gè)成員函數(shù)是在編譯時(shí)，根據(jù)”-操作符左邊指針表達(dá)式的類(lèi)型靜態(tài)決定的。特別地，即使ppq指向Q的實(shí)例，ppq-pf()仍然調(diào)用的是P:pf()，因?yàn)閜pq被聲明為”P(pán)*”。（注意，此時(shí)”-操作符左邊的指針類(lèi)型決定隱藏的this參數(shù)的類(lèi)型。）請(qǐng)看下面對(duì)于虛函數(shù)的調(diào)用：1pp-pvf();/pp-P:pvf();/P:pvf(pp); 2ppq-pvf();/ppq-Q:pvf();

32、/Q:pvf(Q*)ppq); 3pq-pvf();/pq-Q:pvf();/Q:pvf(pq);對(duì)于虛函數(shù)調(diào)用來(lái)說(shuō)，調(diào)用哪個(gè)成員函數(shù)在運(yùn)行時(shí) 決定。不管”-操作符左邊的指針表達(dá)式的類(lèi)型如何，調(diào)用的虛函數(shù)都是由指針實(shí)際指向的實(shí)例類(lèi)型所決定。比如，盡管ppq的類(lèi)型是P*，當(dāng)ppq指向Q的實(shí)例時(shí)，調(diào)用的仍然是Q:pvf()。pp-pvf(); / pp-P:pvf(); / P:pvf(pp);ppq-pvf(); / ppq-Q:pvf(); / Q:pvf(Q*)ppq);pq-pvf(); / pq-Q:pvf(); / Q:pvf(P*)pq); （錯(cuò)誤?。榱藢?shí)現(xiàn)這種機(jī)制，引入了隱藏的v

33、fptr 成員變量。 一個(gè)vfptr被加入到類(lèi)中（如果類(lèi)中沒(méi)有的話(huà)），該vfptr指向類(lèi)的虛函數(shù)表（vftable）。類(lèi)中每個(gè)虛函數(shù)在該類(lèi)的虛函數(shù)表中都占據(jù)一項(xiàng)。每項(xiàng)保存一個(gè)對(duì)于該類(lèi)適用的虛函數(shù)的地址。因此，調(diào)用虛函數(shù)的過(guò)程如下：取得實(shí)例的vfptr；通過(guò)vfptr得到虛函數(shù)表的一項(xiàng)；通過(guò)虛函數(shù)表該項(xiàng)的函數(shù)地址間接調(diào)用虛函數(shù)。也就是說(shuō)，在普通函數(shù)調(diào)用的參數(shù)傳遞、調(diào)用、返回指令開(kāi)銷(xiāo)外，虛函數(shù)調(diào)用還需要額外的開(kāi)銷(xiāo)。 回頭再看看P和Q的內(nèi)存布局（見(jiàn)（圖10）（圖11），可以發(fā)現(xiàn)，VC+編譯器把隱藏的vfptr成員變量放在P和Q實(shí)例的開(kāi)始處。這就使虛函數(shù)的調(diào)用能夠盡量快一些。實(shí)際上，VC+的實(shí)現(xiàn)方式是

34、，保證任何有虛函數(shù)的類(lèi)的第一項(xiàng)永遠(yuǎn)是vfptr。這就可能要求在實(shí)例布局時(shí)，在基類(lèi)前插入新的vfptr，或者要求在多重繼承時(shí)，雖然在右邊，然而有vfptr的基類(lèi)放到左邊沒(méi)有vfptr的基類(lèi)的前面（如下）。1classCA 2public:inta; 3classCB 4public:intb; 5classCL:publicCB,publicCA 6public:intc;class CA int a;class CB int b;class CL : public CB, public CA int c;對(duì)于CL類(lèi)，它的內(nèi)存布局是：（圖12）但是，改造CA如下：1classCA 2 3 pub

35、lic:4inta; 5virtualvoidseta(int_a)a=_a; 6;class CA int a; virtual void seta( int _a ) a = _a; ;對(duì)于同樣繼承順序的CL，內(nèi)存布局是：（圖13）許多C+的實(shí)現(xiàn)會(huì)共享或者重用從基類(lèi)繼承來(lái)的vfptr。比如，Q并不會(huì)有一個(gè)額外的vfptr，指向一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放新的虛函數(shù)qvf()的虛函數(shù)表。qvf項(xiàng)只是簡(jiǎn)單地追加到P的虛函數(shù)表的末尾（見(jiàn)（圖11）。如此一來(lái)，單繼承的代價(jià)就不算高昂。一旦一個(gè)實(shí)例有vfptr了，它就不需要更多的vfptr。新的派生類(lèi)可以引入更多的虛函數(shù)，這些新的虛函數(shù)只是簡(jiǎn)單地在已存在的，”每類(lèi)一

36、個(gè)”的虛函數(shù)表的末尾追加新項(xiàng)。 4.2 多重繼承下的虛函數(shù) 如果從多個(gè)有虛函數(shù)的基類(lèi)繼承，一個(gè)實(shí)例就有可能包含多個(gè)vfptr?？紤]如下的R和S類(lèi)：1 classR 2 public:3intr1; 4virtualvoidpvf();/新建 5virtualvoidrvf();/新建 6;（圖14）struct R int r1; virtual void pvf(); / new virtual void rvf(); / new; 1 classS:public P,public R 2 public:3ints1; 4voidpvf();/覆蓋P:pvf和R:pvf 5voidrvf()

37、;/覆蓋R:rvf 6voidsvf();/新建 7;（圖15）struct S : P, R int s1; void pvf(); / overrides P:pvf and R:pvf void rvf(); / overrides R:rvf void svf(); / new;這里R是另一個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)。因?yàn)镾從P和R多重繼承，S的實(shí)例內(nèi)嵌P和R的實(shí)例，以及S自身的數(shù)據(jù)成員S:s1。注意，在多重繼承下，靠右的基類(lèi)R，其實(shí)例的地址和P與S不同。S:pvf覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，S:rvf()覆蓋了R:rvf()。1Ss;S*ps=&s; 2(P*)ps)-pvf();/

38、(*(P*)ps)-P:vfptr0)(S*)(P*)ps) 3(R*)ps)-pvf();/(*(R*)ps)-R:vfptr0)(S*)(R*)ps) 4ps-pvf();/上面的其中一個(gè)調(diào)用S:pvf()S s; S* ps = &s;(P*)ps)-pvf(); / (*(P*)ps)-P:vfptr0)(S*)(P*)ps)(R*)ps)-pvf(); / (*(R*)ps)-R:vfptr0)(S*)(R*)ps)ps-pvf(); / one of the above; calls S:pvf()調(diào)用(P*)ps)-pvf()時(shí)，先到P的虛函數(shù)表中取出第一項(xiàng)，然后把(P*)ps轉(zhuǎn)

39、化為S*作為this指針傳遞進(jìn)去；調(diào)用(R*)ps)-pvf()時(shí)，先到R的虛函數(shù)表中取出第一項(xiàng)，然后把(R*)ps轉(zhuǎn)化為S*作為this指針傳遞進(jìn)去因?yàn)镾:pvf()覆蓋了P:pvf()和R:pvf()，在S的虛函數(shù)表中，相應(yīng)的項(xiàng)也應(yīng)該被覆蓋。然而，我們很快注意到，不光可以用P*，還可以用R*來(lái)調(diào)用pvf()。問(wèn)題出現(xiàn)了：R的地址與P和S的地址不同。表達(dá)式 (R*)ps與表達(dá)式(P*)ps指向類(lèi)布局中不同的位置。因?yàn)楹瘮?shù)S:pvf希望獲得一個(gè)S*作為隱藏的this指針參數(shù)，虛函數(shù)必須把R*轉(zhuǎn)化為 S*。因此，在S對(duì)R虛函數(shù)表的拷貝中，pvf函數(shù)對(duì)應(yīng)的項(xiàng)，指向的是一個(gè)”調(diào)整塊”的地址，該調(diào)整塊

40、使用必要的計(jì)算，把R*轉(zhuǎn)換為需要的S*。調(diào)整塊內(nèi)容就是圖15中的”thunk1: this-= sdPR; goto S:pvf”，先根據(jù)P和R在S中的偏移，調(diào)整this為P*，也就是S*，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的虛函數(shù)處執(zhí)行。（具體詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)后面的4.4調(diào)整塊）在微軟VC+實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于有虛函數(shù)的多重繼承，只有當(dāng)派生類(lèi)虛函數(shù)覆蓋了多個(gè)基類(lèi)的虛函數(shù)時(shí)，才使用調(diào)整塊。 4.3 地址點(diǎn)與”邏輯this調(diào)整” 考慮下一個(gè)虛函數(shù)S:rvf()，該函數(shù)覆蓋了R:rvf()。我們都知道S:rvf()必須有一個(gè)隱藏的S*類(lèi)型的this參數(shù)。但是，因?yàn)橐部梢杂肦*來(lái)調(diào)用rvf()，也就是說(shuō)，R的rvf虛函數(shù)可能以如下方

41、式被用到：1(R*)ps)-rvf();/(*(R*)ps)-R:vfptr1)(R*)ps)(R*)ps)-rvf(); / (*(R*)ps)-R:vfptr1)(R*)ps)所以，大多數(shù)實(shí)現(xiàn)用另一個(gè)調(diào)整塊將傳遞給rvf的R*轉(zhuǎn)換為S*。還有一些實(shí)現(xiàn)在S的虛函數(shù)表末尾添加一個(gè)特別的虛函數(shù)項(xiàng)，該虛函數(shù)項(xiàng)提供方法，從而可以直接調(diào)用ps-rvf()，而不用先轉(zhuǎn)換R*。VC+的實(shí)現(xiàn)不是這樣，VC+有意將S:rvf編譯為接受一個(gè)指向S中嵌套的R實(shí)例，而非指向S實(shí)例的指針（我們稱(chēng)這種行為是”給派生類(lèi)的指針類(lèi)型與該虛函數(shù)第一次被引入時(shí)接受的指針類(lèi)型相同”）。所有這些在后臺(tái)透明發(fā)生，對(duì)成員變量的存取，成員函數(shù)的this指針，都進(jìn)行”邏輯this調(diào)整”。 當(dāng)然，在debugger中，必須對(duì)這種this調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。1ps-rvf();/(R*)ps)-rvf();/S:rvf(R*)ps)ps-rvf(); / (R*)ps)-rvf(); / S:rvf(R*)ps)(注：調(diào)用rvf虛函數(shù)時(shí)，直接給入R*作為this指針。)所以，當(dāng)覆蓋非最左邊的基類(lèi)的虛函數(shù)時(shí)，VC+一般不創(chuàng)建調(diào)整塊，也不增加額外的虛函數(shù)項(xiàng)